脳の活動状況を別個の機器に伝え、統合的に制御しようとする試み。膨大な脳活動のデータと、実際の身体活動データとの相関性をデータベース化することで、照合した活動同士をリンクさせ、任意動作を可能にする技術である。古くは、生け花に用いる剣山のような形をした多点電極を脳に差し込み、その活動の様子を計測したり、あるいは刺激を加えることから脳の機能を理解し、制御する研究があり、これがBMIの中心であった。最近では、脳波による脳活動の計測の他、陽電子放射断層撮影（PET ; positron emission tomography）や光トポグラフィー、さらには、機能的磁気共鳴画像法（fMRI ; functional magnetic resonance imaging）などを用いて脳血流の計測を行うことにより、脳活動や脳活動のパターンと行動、あるいは心の状態との対応を詳細に調べることも可能となってきた。この対応関係を利用して、脳が作り出すパターンから機械を動かす研究が進められており、考えるだけで機械を操作することは、すでに実現しつつある。さらに直接的な試みとして、ラットの脳の海馬の一部を切除した後、チップを切除部位に埋め込むことにより、失われた機能を回復させることに成功したとの報告もある。今後、免疫系による拒絶反応をどう克服するかなど、難しい問題が山積しているが、近い将来、単なる機械との接続ではなく、我々の意思までも伝達できるようなバイオニック・インターフェース（bionic interface）が実現できるかもしれない。
最近では、思い浮かべるだけで進みたい方向に操縦できる自動車をはじめ、エアコンなどの家電の操作やカーテンの開閉操作などを行うための研究も進んでいる。また、脳波の他、fMRIやPETを用いて、ある対象物と脳血流の関連性を調べることで商品開発やマーケティングにつなげるニューロマーケティング（neuromarketing）や、知覚特性や錯覚を利用して人を案内するナビゲーション誘導も可能になってきている。